齿轮故障诊断

齿轮传动的特点齿轮的分类齿轮的啮合过程齿轮故障诊断齿轮传动的基本知识齿轮振动的机理齿轮的故障诊断技术实测案例分析第一页，共88页。齿轮传动的基本知识概述齿轮故障诊断

概述在现代机械中，要求齿轮在高速、重载等工况下工作，又要求齿轮传动具有高平稳性、高可靠性据日本新日铁会社的统计，齿轮故障约占机器总故障次数的10.3%左右从1956年至1986年，在美国导致人员伤亡或飞机损坏的直升机重大飞行事故中，齿轮箱是最主要的故障源，约占22%，为了防止此类事故的发生而不得不进行频繁地维修，维修费用达到了直升机飞行成本的30%第二页，共88页。齿轮传动的特点齿轮故障诊断

概述

作用：传递扭矩、改变转速

优点：结构紧凑、传动比精确、传动效率高缺点：制造、安装精度要求较高；不适于中心距较大的两轴间传动；使用维护费用较高；精度低时、噪音、振动较大M1M2N1

个齿N2

个齿N1.M1=

N2.M2

M1

M2N1N2=齿轮传动的基本知识第三页，共88页。齿轮传动的分类按装置形式分开式：没有防护罩，用于低速非重要场合半开式：有简单的防护罩，常用于农业机械、建筑机械闭式：装在封闭严密的箱体内，常用于汽车、航空齿轮故障诊断

概述打谷机齿轮传动的基本知识减速机第四页，共88页。直齿齿面的形成斜齿齿面的形成直齿：啮合过程不够稳定，啮合刚度变化斜齿：可以更好的完成齿和齿之间的传动，它的缺点是会在轴上产生一个轴向扭力人字齿：可以消除轴向的扭力，但是装配更困难。齿轮故障诊断

概述齿轮传动的基本知识齿轮传动的分类按轮齿的不同类型分第五页，共88页。齿轮传动的分类按工作轴的相对位置分齿轮故障诊断

概述齿轮传动的基本知识平行轴齿轮传动相交轴齿轮传动交错轴齿轮传动第六页，共88页。齿轮的啮合过程----啮合点位置的变化齿轮传动的基本知识主动轮从动轮主动轮的齿根与从动轮的齿顶接触啮合开始主动轮的节点与从动轮的节点接触啮合中间主动轮的齿顶与从动轮的齿根接触啮合结束主动轮从动轮第七页，共88页。齿轮的啮合过程----啮合齿数的变化齿轮传动的基本知识齿面受载变化齿轮刚度变化齿轮啮合齿数的变化啮合齿数212啮合的轮齿对数越多，传动越平稳，每个轮齿所承受的载荷越小第八页，共88页。齿轮的力学模型分析幅值调制与频率调制齿轮振动的其他成分齿轮故障诊断齿轮传动基本知识齿轮的振动机理齿轮的故障诊断技术实测案例分析齿轮传动的特点齿轮的分类齿轮的啮合过程第九页，共88页。齿轮的力学模型分析齿轮故障诊断

齿轮的振动机理齿轮副力学模型振动方程为：齿面摩擦力在啮合线上齿轮的相对位移啮合刚度啮合阻尼当量质量齿轮受载后的平均静弹性变形由齿轮误差和故障造成两个齿轮间的相对位移第十页，共88页。齿轮的力学模型分析齿轮故障诊断

齿轮的振动机理若考虑齿面摩擦力为0齿轮的振动为自激振动

为常规振动，由材料静变形引起的振动

取决于齿轮故障情况齿轮的振动主要是由的周期变化引起的。齿面受载变化直齿轮斜齿轮第十一页，共88页。齿轮的力学模型分析齿轮故障诊断

齿轮的振动机理从一个轮齿开始进入啮合到下一个轮齿进入啮合，齿轮的啮合刚度就变化一次。因此齿轮啮合刚度的变化频率----啮合频率齿轮刚度变化啮合齿数齿轮啮合齿数的变化212第十二页，共88页。带点蚀故障的齿1旋转一周，与齿2啮合一次，产生一次冲击即：转一圈一次冲击，与转频在数值上是相等的举例说明带点蚀故障的齿轮的啮合过程：齿轮的力学模型分析齿轮故障诊断

齿轮的振动机理第十三页，共88页。上节课内容复习什么是转频？转频表示每秒钟转过的圈数。例如：发生一个断齿，转速850r/min,转频f=14.2Hz1秒钟有14个冲击第十四页，共88页。齿轮的力学模型分析幅值调制与频率调制齿轮振动的其他成分齿轮故障诊断齿轮传动基本知识齿轮的振动机理齿轮的故障诊断技术实测案例分析第十五页，共88页。信号调制信号调制可以分为：幅值调制、频率调制tAtA幅值调制频率调制原因1：齿轮载荷不均匀、齿距不均匀及故障造成的载荷波动，会对振动幅值产生影响

原因2：同时也产生扭矩波动，使齿轮转速发生变化，从而影响频率结构第十六页，共88页。信号调制---调幅齿轮啮合过程中，啮合频率及其各次谐波视为载波齿面点蚀、剥落引起的振动(周期出现)信号，视为调制波两者同时存在时，则会产生调制效应时域上表现为──相乘频域上表现为──卷积Question?载波：调制波：合成信号：啮合频率转频第十七页，共88页。信号调制---调幅例：齿轮啮合振动信号：齿轮点蚀引起的振动信号:调幅后的振动信号为：调幅后的振动信号在频域表示为：fA第十八页，共88页。信号调制---调幅齿轮振动的方程为：为载波信号，它包含有齿轮啮合频率及其倍频成分为调制信号，反映齿轮的误差和故障情况时域频域第十九页，共88页。信号调制---调幅局部缺陷：齿轮每转一周产生一个脉冲激励，齿轮的啮合频率被一个短的周期脉冲所调制，在频谱中表现为在啮合频率两侧有大量的边频带，其幅值较低，且分布均匀而平坦。分布缺陷：指比较均匀分布的缺陷，它相当于时域包络线较宽的脉冲。因此，它在频域中表现为在啮合频率两边产生了一簇幅值较高、起伏较大、分布较窄的边频带。局部缺陷，冲击历程短，频域分布宽分布缺陷，冲击历程长，频域分布窄第二十页，共88页。对于齿轮传动，任何导致产生幅值调制的因素也同时会导致频率调制。两种调制总是同时存在的。对于质量较小的齿轮副，频率调制现象尤为突出调频的振动信号包含有多个频率分量，并以啮合频率为中心，以调制频率为间隔形成多对的调制边带信号调制---调频第二十一页，共88页。信号调制---交叉调制谐振能量对不同调制振动的影响在很多情况下，齿轮或齿轮箱在承载运行中，由于其它激振力而引起了齿轮、轴或轴承内、外圈滚动体等零件的谐振。【固有频率】类型载波信号调制信号故障较轻，如轻微的轴弯曲或面积小、数量少的齿面点蚀齿轮的啮合频率轴频故障较严重、激振能量较大时轴承、轴、齿轮等零件本身的谐振频率轴频故障非常严重、激励能量非常大时箱体谐振频率轴频第二十二页，共88页。调频和调幅的共同点载波频率相等边带频率对应相等边带对称于载波频率齿轮振动信号调制特点实际齿轮系统中，调幅与调频同时存在两者共同作用时，导致载频两侧的边频成分的幅值非对称分布信号调制---小结1GMF2GMF3GMFfAtA1GMF第二十三页，共88页。齿轮的力学模型分析幅值调制与频率调制齿轮振动的其他成分齿轮故障诊断齿轮传动基本知识齿轮的振动机理齿轮的故障诊断技术实测案例分析第二十四页，共88页。隐含成分(GhostComponents)产生原因：由于加工过程中带来的周期性缺陷。例如由滚齿机工作台的分度涡轮蜗杆及齿轮的误差引起齿轮振动的其他成分---隐含成分特点：它不受载荷变化的影响，由几何误差引起；它一般对应于某个分度涡轮的整数齿；随齿轮跑合、均匀磨损，隐含成分及各次谐波成分逐渐下降运行一个月后隐含成分下降新齿轮运行一个月后第二十五页，共88页。齿轮的力学模型分析幅值调制与频率调制齿轮振动的其他成分齿轮故障诊断齿轮传动基本知识齿轮的振动机理齿轮的故障诊断技术实测案例分析第二十六页，共88页。齿轮故障诊断齿轮传动基本知识齿轮的振动机理齿轮的故障诊断技术实测案例分析简易诊断精密诊断其他常用的信号分析方法第二十七页，共88页。振动信号的测量测点选择传感器的安装位置不同，所得到的测定值会有较大差异对各测点做出标记，以保证每次测量的部位不变测量部位的表面应是光滑洁净的，避免脏物对振动传递造成衰减一般应尽可能地沿水平、垂直和轴向三个方向进行测定HV第二十八页，共88页。振动信号的测量传感器的选择一般应将所测的振动按频带分级实际测量中，在同一测点为通常选用加速度传感器，再通过积分电路转换成所需的测量参数对低频段一般选用位移传感器对中频段一般选用速度传感器对高频段一般选用加速度传感器第二十九页，共88页。传感器的安装方法安全性：安装位置必须保证在进行数据采集时的工作安全最短路径：在振源和传感器之间必须要有一个良好的机械传输路径，应该选择振源和传感器间的最短路径防共振：不能将传感器安装到自身会受到机器振动激励的部件上，如：风扇罩、联轴器防护盖等部件采样参数设定已知齿轮齿数，建议频率范围Fmax设定为≥3.25×GMF齿轮齿数未知，频率范围Fmax设定为每根轴的转速的200倍注意频率分辨率测定周期设备正常时保持一定周期；在振动增大时，缩短监测周期齿轮故障诊断

振动测量与简易诊断振动信号的测量第三十页，共88页。齿轮的简易诊断简易诊断方法目的：迅速判断齿轮是否处于正常工作状态手段：利用齿轮的振动强度来进行诊断齿轮故障诊断

振动测量与简易诊断绝对值判定法：利用齿轮箱上同一测点部位测得的振幅值直接作为评价运行状态的指标相对值判断法：将在齿轮箱同一部位测点在不同时刻测得的振幅与正常状态下的振幅相比较齿轮的振动峰值为P，转速为n(r/min)，齿数为Z报警值：危险值：第三十一页，共88页。齿轮的简易诊断简易诊断方法目的：迅速判断齿轮是否处于正常工作状态手段：利用齿轮的振动强度来进行诊断齿轮故障诊断

振动测量与简易诊断绝对值判定法：利用齿轮箱上同一测点部位测得的振幅值直接作为评价运行状态的指标相对值判断法：将在齿轮箱同一部位测点在不同时刻测得的振幅与正常状态下的振幅相比较第三十二页，共88页。齿轮的简易诊断常用的特征值计算方法齿轮故障诊断

振动测量与简易诊断无量纲参数作为诊断标准，其特点是对故障信息敏感，而对信号的幅值大小不敏感最常用的衡量指标，能反映出设备的振动水平第三十三页，共88页。齿轮的简易诊断测定参数法齿轮故障诊断

振动测量与简易诊断波形指标峰值指标脉冲指标裕度指标峭度指标齿轮正常1.3024.6116.0017.1884.115齿轮断齿1.4729.52914.02417.78210.206齿轮发生断齿故障，其振动信号中有明显的冲击脉冲，除波形指标外，各参数指标均有明显上升正常齿轮故障齿轮第三十四页，共88页。齿轮的简易诊断简易诊断实例齿轮故障诊断

振动测量与简易诊断在4个轴承座上分别用加速度传感器测量其振动均方根值4个轴承的振动值差异很小，且都已超标，则表明齿轮出现了异常轴承故障正常第三十五页，共88页。齿轮故障诊断齿轮传动基本知识齿轮的振动机理齿轮的故障诊断技术实测案例分析简易诊断→计算特征值精密诊断→频谱分析其他常用的信号分析方法第三十六页，共88页。如何判断齿轮是否存在故障？啮合频率及其谐波成分边频成分幅值是否升高？-----故障严重程度与主频的差值？-----确定出现故障的齿轮如何分布？-----局部故障或均布故障

幅值是否升高？1GMF2GMF3GMFfAtA正常故障齿轮啮合频率往往对齿的负载非常敏感。齿轮啮合频率的幅值高未必一定指示有故障，尤其是当边频幅值较小情况第三十七页，共88页。振动主要由齿轮自身刚度变化引起时域波形为周期性的衰减波形，低频信号具有近似正弦波的啮合波形频域中存在齿轮啮合频率，但啮合频率的谐波成分幅值较小正常齿轮的低频振动波形

正常齿轮的频谱图

高速轴转频低速轴转频正常齿轮的信号特征第三十八页，共88页。齿轮磨损齿根裂纹齿轮断齿齿轮偏心齿轮不对中常见故障的特征产生故障的原因？故障具有的频谱特征？第三十九页，共88页。产生故障的原因：长期在高负荷下工作在润滑油中夹杂有磨粒时发生，或润滑油不足、油质不清洁常见故障的特征---齿轮磨损磨损增大，齿侧间隙变大，振动变大第四十页，共88页。齿轮磨损的主要特征是激起齿轮的固有频率(Fn)，并在齿轮固有频率两侧伴有磨损齿的转速频率边带2×GMF或3×GMF(尤其是3×GMF)幅值经常很高磨损明显时，边带的幅值高、边带数增多。边带比啮合频率能更好地反映出齿轮磨损状态常见故障的特征---齿轮磨损故障特征：第四十一页，共88页。在运行过程中承受载荷的轮齿，如同悬臂梁，其根部受到脉冲循环的弯曲应力作用当周期性应力超过齿轮材料的疲劳极限时，会在根部产生裂纹常见故障的特征---齿根裂纹产生故障的原因：第四十二页，共88页。时域特征：以齿轮旋转频率为周期的冲击脉冲频率特征：以旋转频率n*fr为主要频域特征齿轮局部异常的时域波形

齿轮裂纹的频谱图

常见故障的特征---齿根裂纹故障特征：第四十三页，共88页。当齿根裂纹逐步扩展，当无法承受传动载荷时就会发生断齿现象。齿轮由于工作中严重的冲击、偏载以及材质不均匀也可能引起断齿。断齿是齿轮最严重的故障。常见故障的特征---齿轮断齿产生故障的原因：第四十四页，共88页。Question:齿轮断齿属于局部故障还是均布故障？常见故障的特征---齿轮断齿局部缺陷，冲击历程短，频域分布宽分布缺陷，冲击历程长，频域分布窄第四十五页，共88页。齿轮故障的诊断与分析方法故障特征：常见故障的特征---齿轮断齿以齿轮啮合频率及其谐波为载波频率，故障齿轮所在轴转频及其倍频为调制频率，调制边频带宽而高；以齿轮各阶固有频率及其谐波为载波频率，故障齿轮所在轴转频及其倍频为调制频率，调制边频带宽而高；第四十六页，共88页。由于加工误差引起齿轮的中心与旋转轴中心不重合常见故障的特征---齿轮偏心齿轮故障的诊断与分析方法产生故障的原因：第四十七页，共88页。齿轮故障的诊断与分析方法齿轮偏心的时域波形

齿轮偏心的频谱

常见故障的特征---齿轮偏心时域特征：由于偏心的影响，波形被调制，产生调幅振动频域特征：以齿轮旋转频率为特征的附加脉冲幅值增大，以齿轮一转为周期的载荷波动，调制频率为齿轮的转频故障特征：故障轴的转频出现倍频第四十八页，共88页。常见故障的特征---齿轮不对中产生故障的原因：由于齿轮和轴装配不当造成的齿轮和轴的中心不共线不对中故障会使齿轮产生局部接触，导致部分轮齿承受较大的负荷第四十九页，共88页。常见故障的特征---齿轮不对中故障特征：以齿轮啮合频率及其谐波为载波频率，齿轮所在轴转频及其倍频为调制频率；调制频率的2倍频幅值最大；齿轮啮合频率及其谐波幅值增大；由于齿轮不对中，齿轮啮合频率及其谐波频率的左侧和右侧的边带频率的幅值不等，引起不均匀磨损。第五十页，共88页。齿轮故障的诊断与分析方法常见故障的特征---小结频域频域正常磨损不对中裂纹偏心断齿是否有故障？关注啮合频率的倍频、边频幅值的变化哪个齿轮发生故障？关注边频与主频的差值第五十一页，共88页。简易诊断→计算特征值精密诊断→频谱分析其他常用的信号分析方法齿轮故障诊断齿轮传动基本知识齿轮的振动机理齿轮的故障诊断技术实测案例分析第五十二页，共88页。常用信号处理方法时域分析方法时域波形调制解调相位解调时域同步平均：利用键相信号进行周期截断频域分析方法功率谱相位谱细化谱：进行局部的高分辨率分析倒频谱：看频域中的周期成分√√√第五十三页，共88页。齿轮故障诊断齿轮传动基本知识齿轮的振动机理齿轮的故障诊断技术实测案例分析简易诊断→计算特征值精密诊断→频谱分析其他常用的信号分析方法第五十四页，共88页。齿轮故障诊断案例无缝厂减速机齿轮箱故障诊断分析高炉上料主皮带减速机故障诊断分析鼓风机齿轮箱故障诊断冷轧卷取机减速箱故障诊断分析齿轮故障诊断关注啮合频率的倍频、边频关注齿轮故障、轴松动、不对中关注齿数未知情况关注共振频率进行诊断第五十五页，共88页。说明齿轮Ⅰ磨损比较严重，部分齿面有缺陷齿轮故障诊断----应用1测点4测点1测点2测点3ⅠⅡⅢⅣ轧辊电机Z1Z2Z3Z5Z6Z4电机转速630rpm，Z1=22，Z2=20Ⅰ轴转频Ⅱ轴转频第五十六页，共88页。测点4测点1测点2测点3ⅠⅡⅢⅣ轧辊电机轧机主传动系统传动简图与测点布置图锥齿轮齿数Z1=22；Z2=20Z1Z2Z3Z5Z6Z4齿轮故障诊断案例齿轮故障诊断----应用1电机转速630rpmⅠ轴转频Ⅱ轴转频啮合频率第五十七页，共88页。齿轮故障诊断案例齿轮故障诊断----应用1测点4测点1测点2测点3ⅠⅡⅢⅣ轧辊电机Z1Z2Z3Z5Z6Z4啮合频率Ⅰ轴转频Ⅱ轴转频啮合频率第五十八页，共88页。齿轮故障诊断案例齿轮故障诊断----应用1测点4测点1测点2测点3ⅠⅡⅢⅣ轧辊电机Z1Z2Z3Z5Z6Z4Ⅰ轴转频Ⅱ轴转频啮合频率说明轴Ⅰ的齿轮存在故障第五十九页，共88页。齿轮故障诊断案例说明轴Ⅰ有松动现象存在齿轮故障诊断----应用1测点4测点1测点2测点3ⅠⅡⅢⅣ轧辊电机Z1Z2Z3Z5Z6Z4Ⅰ轴转频Ⅱ轴转频啮合频率第六十页，共88页。齿轮故障诊断案例诊断结论：齿轮Ⅰ啮合处于故障状态，部分齿面磨损严重，个别齿有局部缺陷轴Ⅰ有松动现象，轴承磨损间隙变大，部分部件有损坏齿轮故障诊断----应用1现场验证：共有8个齿存在严重的齿面剥落现象第六十一页，共88页。齿轮故障诊断案例无缝厂减速机齿轮箱故障诊断分析高炉上料主皮带减速机故障诊断分析鼓风机齿轮箱故障诊断冷轧卷取机减速箱故障诊断分析齿轮故障诊断关注啮合频率的倍频、边频关注齿轮故障、轴松动、不对中关注齿数未知情况关注共振频率进行诊断第六十二页，共88页。电机转速：1488r/min齿轮故障诊断----应用2

Z1=19、Z2=68Z3=19、Z4=91Z5=23、Z6=67

Ⅰ轴转频Ⅱ轴转频

Ⅲ轴转频

Ⅳ轴转频Ⅰ轴与Ⅱ轴啮合频率Ⅱ轴与Ⅲ轴啮合频率Ⅲ轴与Ⅳ轴啮合频率第六十三页，共88页。齿轮故障诊断----应用2测点3测点4垂直（V）水平（H）轴向（A）垂直（V）水平（H）轴向（A）2007-11-271.952.053.512.823.423.442008-01-024.154.065.576.875.576.30测点5测点6垂直（V）水平（H）轴向（A）垂直（V）水平（H）轴向（A）2007-11-272.182.724.073.112.613.772008-01-023.494.866.265.445.366.28测点7测点8垂直（V）水平（H）轴向（A）垂直（V）水平（H）轴向（A）2007-11-271.582.152.783.712.302.772008-01-023.006.305.553.985.055.46测点9测点10垂直（V）水平（H）轴向（A）垂直（V）水平（H）轴向（A）2007-11-271.491.992.642.773.612.632008-01-023.304.993.842.093.663.83第六十四页，共88页。齿轮故障诊断----应用23、4号测点5、6号测点7、8号测点9、10号测点第六十五页，共88页。测点3V测点4V偏载现象严重，并伴有转频的冲击成分齿轮故障诊断----应用2第六十六页，共88页。测点3V测点4V2007.11.272007.11.27自由能量增大，轴Ⅰ可能存在故障齿轮故障诊断----应用2第六十七页，共88页。测点3A测点4A齿轮故障诊断----应用2Ⅰ轴转频Ⅱ轴转频

Ⅲ轴转频

Ⅳ轴转频齿轮啮合频率被50.1Hz转频调制齿轮啮合频率被50.1Hz转频调制2倍转频第六十八页，共88页。测点3V测点4V齿轮故障诊断----应用2转频的二倍频较大，存在不对中故障第六十九页，共88页。测点3V测点4V出现转频高次谐波，存在轴松动现象齿轮故障诊断----应用2Ⅰ轴转频Ⅱ轴转频

Ⅲ轴转频

Ⅳ轴转频第七十页，共88页。诊断结论：减速机轴Ⅰ存在明显的不对中、松动现象、并且偏载严重轴Ⅰ齿轮存在局部缺陷，如点蚀或剥落故障轴Ⅰ轴承存在内圈磨损故障生产验证：由于电机与减速机轴Ⅰ的联轴器不对中，造成了减速机的振动，引起轴承和齿轮的故障齿轮故障诊断----应用2第七十一页，共88页。齿轮故障诊断案例无缝厂减速机齿轮箱故障诊断分析高炉上料主皮带减速机故障诊断分析鼓风机齿轮箱故障诊断冷轧卷取机减速箱故障诊断分析齿轮故障诊断关注啮合频率的倍频、边频关注齿轮故障、轴松动、不对中关注齿数未知情况关注共振频率进行诊断第七十二页，共88页。齿轮故障诊断案例齿轮故障诊断----应用3电机转速1480rpmⅠ轴转频Ⅱ轴转频啮合频率第七十三页，共88页。齿轮故障诊断案例齿轮故障诊断----应用3简易诊断测点1测点2测点3测点4测点5测点6测点7测点8垂直mm/s1.981.985.164.5710.8013.212.712.15水平mm/s2.863.014.344.697.219.182.812.80轴向mm/s6.156.114.914.674.754.753.292.73振动速度有效值参照国际标准ISO2372，齿轮箱的各测点振动有效值较大，在设备状态评价等级B（允许）～C（较差）之间第七十四页，共88页。齿轮故障诊断案例齿轮故障诊断----应用3简易诊断齿轮箱的振动比电机、鼓风机的振动大测点1测点2测点3测点4测点5测点6测点7测点8垂直mm/s1.981.985.164.5710.8013.212.712.15水平mm/s2.863.014.344.697.219.182.812.80轴向mm/s6.156.114.914.674.754.753.292.73振动速度有效值第七十五页，共88页。齿轮故障诊断案例齿轮故障诊断----应用3精密诊断振动能量大，含有共振频率，说明齿轮箱存在较严重故障3、4、5、6号测点水平方向振动频谱图比较第七十六页，共88页。齿轮故障诊断----应用3精密诊断6号测点振动频谱图啮合频率齿轮故障诊断案例电机转速1480rpmⅠ轴转频Ⅱ轴转频啮合频率频率相差24.6Hz第七十七页，共88页。齿轮故障诊断案例齿轮故障诊断----应用3精密诊断6号测点振动频谱图共振频率齿轮故障诊断案例电机转速1480rpmⅠ轴转频Ⅱ轴转频啮合频率第七十八页，共88页。齿轮故障诊断案例齿轮故障诊断-